Research Abstract
ヒトiPS細胞由来大脳皮質神経ネットワークの長期培養における生理学的な成熟と薬剤応答
Physiological maturation and drug responses of human induced pluripotent stem cell-derived cortical neuronal networks in long-term culture
2016年5月18日 Scientific Reports 6 : 26181 doi: 10.1038/srep26181
ヒト人工多能性幹細胞（hiPSC）由来の中枢神経ネットワークは、ヒト神経疾患の機構や薬剤応答を評価するためのin vitroモデルと期待されているが、培養初期のニューロンは未熟であり、個々のニューロンやネットワークの機能的成熟に必要な培養期間は分かっていない。我々は、MEA（multi-electrode array）を用いた培養系で1年以上にわたり自発的な電気生理学的活動と薬理学的応答を調べた。自発活動における発火頻度やシナプス伝播による同期バースト発火、グルタミン酸作動性およびGABA作動性の受容体アンタゴニスト/アゴニストによる薬剤応答性を調べた結果、機能的な成熟化には20-30週程度の培養期間が必要であることがわかった。得に、グルタミン酸受容体であるAMPA受容体とNMDA受容体それぞれの応答は長期培養で明確に検出された。また、けいれん誘発薬に応答して、てんかん型の高頻度同期バースト発火が起こることや、臨床の抗てんかん薬を用いた場合には誘発された高頻度同期バースト発火が抑制されることも実証された。hiPSC由来中枢神経ネットワークのin vitro機能解析や薬剤スクリーニングにおいて、MEAを用いた長期活動計測法が有効であること、および薬効評価などの国際標準化を進めるためには、発達段階における電気生理学的および薬理学的な特性を把握する必要性を示した。
Corresponding Authors
The functional network of human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived neurons is a potentially powerful in vitro
model for evaluating disease mechanisms and drug responses. However, the culture time required for the full functional maturation of individual neurons and networks is uncertain. We investigated the development of spontaneous electrophysiological activity and pharmacological responses for over 1 year in culture using multi-electrode arrays (MEAs). The complete maturation of spontaneous firing, evoked responses, and modulation of activity by glutamatergic and GABAergic receptor antagonists/agonists required 20–30 weeks. At this stage, neural networks also demonstrated epileptiform synchronized burst firing (SBF) in response to pro-convulsants and SBF suppression using clinical anti-epilepsy drugs. Our results reveal the feasibility of long-term MEA measurements from hiPSC-derived neuronal networks in vitro for mechanistic analyses and drug screening. However, developmental changes in electrophysiological and pharmacological properties indicate the necessity for the international standardization of culture and evaluation procedures.
